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Die
Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zur bewegungsmäßigen Kopplung
wenigstens einer rotierenden Arbeitswelle mit wenigstens einem linear
hin und her gehenden Körper,
dessen Hublänge,
d.h. der räumliche
Abstand zwischen zwei einander gegenüberliegenden Totpunkten, sich
periodisch ändert.
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Eine
solche Kopplung ist bspw. erforderlich bei Verbrennungsmotoren mit
linear hin und her gehenden Kolben, deren Linearbewegung in eine
kontinuierliche Rotationsbewegung einer Abtriebswelle umzusetzen
ist. Dieses Problem wird seit alters her mit einer mehrfach abgekröpften Kurbelwelle
als Abtriebswelle gelöst,
deren exzentrische Bereiche über je
eine Pleuelstange mit den einzelnen Kolben gekoppelt ist. Dank dieser
Pleuelstangen ist einerseits sichergestellt, dass während eines
vollständigen
Kolbenhubs eines Kolbens von dessen oberem Totpunkt (OT) über seinen
unteren Totpunkt (UT) zurück
zu OT die Kurbel- bzw. Abtriebswelle genau eine Umdrehung macht.
Andererseits legt diese Kopplungsart einen konstanten Kolbenhub
bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle fest.
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Andererseits
umfaßt
bei den besonders weit verbreiteten 4-Takt-Verbrennungsmotoren jeder vollständige Arbeitszyklus
insgesamt 4 Takte, d.h., Kolbenbewegungen, nämlich Ansaugen – Verdichten – Expansion – Ausschieben,
und erstreckt sich damit über
zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Damit liegt der OT nach dem Ausschieben/vor
dem Ansaugen an der selben Stelle wie zwischen dem Verdichtungs- und
dem Expansionstakt, also etwa im Zeitpunkt der Zündung. Damit der Motorblock
beim Verdichten nicht zerrissen wird, muß am OT ein Abstand der Kolbenoberseite
zum Zylinderkopf verbleiben. Dieser Abstand verbleibt dann aber
auch zwischen dem Ausschieb- und dem Ansaugtakt, so dass die verbrannten
Gase nicht vollständig
ausgeschoben werden können
und sich beim nächsten
Takt mit der frischen Ansaugluft vermischen. Die in dem Zylinder verbleibenden
heißen
Gase vermischen sich mit der angesaugten Luft, wobei diese sich
rasch erwärmt und
ausdehnt und das Zylindervolumen schneller füllt als kalte Luft. Außerdem reduzieren
die im Zylinder verbliebenen, bereits verbrannten Gase den Sauerstoffgehalt
im Zylinder und vermindern dadurch das Brennvermögen des Luft- Kraftstoff-Gemischs.
Es wäre
daher wünschenswert,
eine Kopplung zwischen einer oszillierenden Linearbewegung einerseits
und einer Rotationsbewegung andererseits derart auszubilden, dass
der OT der Linearbewegung bei aufeinanderfolgenden Hüben nicht
identisch sein muß.
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Eine
solche Anordnung ist in der deutschen Patentschrift
DE 10.2004 042 873 B3 der
Anmelder offenbart. Nach deren Lehre ist eine mit einem Kolben verbundene
Kolbenstange als Zahnstange ausgebildet, welche mit zwei Zahnrädern in
Eingriff treten kann, welche nur an je zwei Umfangssegmenten verzahnt
sind. Die beiden Zahnräder
sind drehbewegungsmäßig miteinander
gekoppelt, so dass eine Drehung eines Zahnrades im Uhrzeigersinn
gleichbedeutend ist mit einer Drehung des anderen Zahnrades im Gegenuhrzeigersinn.
Die Verzahnungssegmente der beiden Zahnräder sind derart gegeneinander
verschoben, dass bei einer kontinuierlichen Drehbewegung der beiden
Zahnräder
stets nur ein Verzahnungssegment eines Zahnrades in Eingriff mit der
Zahnstange steht. Jedem Hub der Zahnstange während zweier oder mehrerer
aufeinanderfolgender Takte ist daher genau ein Verzahnungssegment
eines Zahnrades zugeordnet, das während dem betreffenden Hub
in Eingriff ist. Da sich eingriffsmäßig je ein Verzahnungssegment
eines Zahnrades mit je einem Verzahnungssegment des anderen Zahnrades abwechseln,
ergibt sich bei einer gleichmäßigen Drehbewegung
eines Zahnrades bzw. der Abtriebswelle eine linear hin und her gehende
Oszillationsbewegung der Kolbenstange. Mit der Länge eines Verzahnungssegments
kann dabei die Weite der Hubbewegung des Kolbens bei dem betreffenden
Takt eingestellt werden. Eine Besonderheit dieser Anordnung ist
jedoch, dass bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit eines Zahnrades
während
dessen Eingriffs mit der Zahnstange deren Lineargeschwindigkeit
ebenfalls etwa konstant ist, so dass sich anstelle einer sich etwa
sinusförmig ändernden
Kolbengeschwindigkeit ein etwa pulsförmiger Verlauf ergibt, der
bei OT und UT zu hohen Beschleunigungswerten des Kolbens führt.
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Aus
diesen Besonderheiten des beschriebenen Standes der Technik resultiert
das die Erfindung initiierende Problem, eine gattungsgemäße Koppelvorrichtung
derart auszubilden, dass einerseits aufeinanderfolgende Hübe der Linearbewegung unterschiedlich
groß sein
können,
während
andererseits zu hohe Beschleunigungswerte beim Ändern der Hubrichtung vermieden
werden sollen.
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Die
Lösung
dieses Problems gelingt durch Nockenelemente an wenigstens zwei
drehfest miteinander gekoppelten Arbeits- und/oder Hilfswellen, die
regelmäßig mit
dem linear hin und her gehenden Körper oder mit einem Fortsatz
desselben in Kontakt treten.
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Im
Gegensatz zu Zahnrädern,
welche einen konstanten, mittleren Durchmesser haben, so dass eine
damit kämmendes
Element stets mit der gleichen Geschwindigkeit angetrieben wird,
lassen sich mit Nocken und damit zusammenwirkenden, beweglichen
Elementen unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse
realisieren, je nach dem Abstand des aktuellen Kontaktpunktes zu
der Drehwelle des Nockenelements.
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Wenn – wie die
Erfindung weiterhin vorsieht – dieser
Kontaktpunkt am Beginn und am Ende einer Kontaktphase sehr nahe
an der Nockendrehwelle liegt und sich zwischen diesen Punkten – infolge
des erhöhten
Radialabstandes eines Nockens gegenüber seiner Drehwelle – relativ
weit von dieser entfernt, so lassen sich an den Übergangspunkten niedrigere Lineargeschwindigkeiten
realisieren als dazwischen.
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Dasselbe
läßt sich
erreichen, wenn in den Übergangspunkten
die Umgebung des Kontaktpunktes an dem Nockenumfang etwa tangential
zu der Nockendrehachse verläuft,
so dass sich der Kontaktpunkt bei einer Drehung der betreffenden
Nockenwelle nicht oder nur minimal verlagert und also das linear
bewegliche Element keine Bewegung erfährt entsprechend den Totpunkten
einer Linearbewegung. So bleibt die Linearbewegung gerade auch bei der
Richtungsumkehr an den Totpunkten sehr sanft, und bspw. wird ein
Anschlagen des Nockenelementes gegen sein Konterpart vermieden.
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Gemäß einer
daraus folgenden Konstruktionsvorschrift kann der Kontaktpunkt zu
Beginn einer Kontaktphase am Fuße
einer Flanke eines Nockens liegen, und zwar an der in Drehrichtung
seiner Welle gesehen vorderen Flanke, und am Ende einer Kontaktphase
kann der Kontaktpunkt im Bereich des Scheitels eines Nockens liegen,
also in seinem distalsten Bereich. Dabei sollte auch der damit zusammenwirkende
Flächenbereich
des linear beweglichen Elements in der betreffenden Übergangsstellung etwa
lotrecht zu demjenigen von der Drehwelle ausgehenden Radialstrahl
verlaufen, der eben durch diesen Kontaktflächenbereich läuft.
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Es
hat sich als günstig
erwiesen, dass während
einer Hublängen-Periode
jeder Hubphase, d.h. jeder Verschiebung des linear bewegten Körpers von einem
Totpunkt in den gegenüberliegenden,
(genau) ein eigener Nocken (-bereich) zugeordnet ist, der während dieser
Hubphase mit dem linear hin und her gehenden Körper oder mit einem Fortsatz
desselben in Kontakt tritt. Damit kann die Kopplung für jede Phase
eines mehrphasigen Hubzyklus durch die Gestaltung des Umfangs des
zugeordneten Nocken (-bereichs) individuell beeinflusst werden.
Dies betrifft einerseits die maximale Hublänge, welche maßgeblich durch
die radiale Länge
eines Nockens vorgegeben wird, als auch die Bewegungsdynamik, welche
durch den Verlauf des Nockenumfangs beeinflusst werden kann.
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Diesem
Erfindungsgedanken folgend sollte stets nur ein Nocken (-bereich)
mit dem linear hin und her gehenden Körper oder mit einem Fortsatz
desselben in Kontakt treten, allenfalls mit Ausnahme von Überlappungsbereichen
in der Umgebung der Totpunkte. Dadurch werden Überbestimmungen vermieden,
und die Gefahr eines Klemmens oder von erhöhter Reibung ist minimiert.
Andererseits sollte bei der Auslegung der Kopplung darauf geachtet
werden, dass die Kontaktflächen
stets auf Druck belastet sind. Dabei ist Rücksicht darauf zu nehmen, welche Körper/Wellen
angeschlossen sind, und wie die Kraftübertragung während der
einzelnen Takte bzw. Hubphasen eines Arbeitszyklus gerichtet ist.
Bei einem 4-Takt-Zylinder-Motor bspw. wird während des Kompressionstaktes
und beim Ausstoßen
der Kolben jedesmal von der Welle angetrieben und in Richtung des
jeweiligen oberen Totpunktes geschoben. Hierbei muß eine in
Drehrichtung der betreffenden Welle vordere Flanke des betreffenden
Nockens bzw. Nockenbereichs also von unten gegen einen nach rückwärts bzw.
unten gerichteten Bereich des Kolbens oder einer Kolbenstange drücken. Beim
Ansaugen muß der
Kolben von der Welle in Richtung zum unteren Totpunkt gezogen werden.
Dazu muß eine
in Drehrichtung der betreffenden Welle vordere Flanke des betreffenden
Nockens bzw. Nockenbereichs von vorne bzw. oben gegen einen nach
vorne bzw. oben gerichteten Oberflächenbereich des Kolbens oder
einer Kolbenstange drücken.
Schließlich
drückt
beim Arbeitstakt der Kolben nach hinten bzw. unten und muß dabei
die betreffende Drehwelle antreiben. Hierbei muß demnach der Kontaktpunkt
an der in Drehrichtung gesehen hinteren Flanke des betreffenden Nockens
bzw. Nockenbereichs einerseits liegen, und andererseits an einem
nach rückwärts bzw.
unten gerichteten Oberflächenbereich
an dem Kolben oder an einer damit verbundenen Kolbenstange. Will
man auch einen Schiebebetrieb realisieren („Motorbremse"), so sollte hierzu
während
des Arbeitstaktes auch ein Kontaktpunkt an der in Drehrichtung gesehen
vorderen Flanke eines Nockens möglich
sein, der von vorne bzw. oben auf einen vor- bzw. aufwärts gerichteten
Oberflächenbereich
an dem Kolben oder an einer Kolbenstange drückt. In diesem Fall macht es
daher evtl. Sinn, dass zwei Nockenbereiche gleichzeitig in Kontakt
mit dem Kolben treten, und zwar mit einem Kontaktpunkt an einer
vorderen Flanke und einem Kontaktpunkt an einer rückwärtigen Flanke
eines Nockens, wobei es sich nicht unbedingt um denselben Nocken
handeln muß.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, dass sich ein Nockenelement hinter
einer Stirnseite des linear hin und her gehenden Körpers oder
einer mit diesem verbundenen Stange befindet. Ein solches Nockenelement
kann stets eine in Richtung zum oberen Totpunkt gerichtete Druckkraft übertragen
und eignet sich daher bspw. bei einem Vier-Takt-Verbrennungsmotor
für eine
Kraftübertragung
bei den Takten „Komprimieren", Verbrennen" und „Ausschieben". Dabei kann die
Vorderflanke eines Nockens beim Komprimieren verwendet werden, dessen
rückwärtige Flanke
dagegen beim Arbeiten bzw. Verbrennen.
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Andererseits
ist es auch möglich,
dass sich wenigstens ein Nockenelement seitlich neben der Mantelfläche des
linear hin und her gehenden Körpers
oder einer mit diesem verbundenen Stange befindet. Bei einer solchen
Anordnung kann ein Nocken in den Bewegungsbereich des linear hin
und her gehenden Körpers
oder einer mit diesem verbundenen Stange hineingeschwenkt werden,
um sodann seine Aufgabe zu erfüllen,
und anschließend
verläßt er diesen
Bewegungsbereich und gibt diesen frei zur Kopplung mit einem anderen
Nocken. Eine derartige Mechanik ist besonders geeignet für den Ansaugtakt
eines 4-Takt-Verbrennungsmotors, wo der Kolben aktiv zum unteren
Totpunkt zu ziehen ist, sowie ggf. für den Arbeitstakt, wenn ein
Schubbetrieb realisiert werden soll für eine durchziehende Last.
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Weitere
Vorteile ergeben sich dadurch, dass ein Nockenelement wenigstens
zwei in radialer Richtung erhabene Bereiche aufweist mit dazwischen
liegenden, radialen Vertiefungen. Eine solche Konstruktion berücksichtigt
die unterschiedlichen, periodisch sich ändernden Hublängen während eines
gesamten Arbeitszyklus. Unterschiedliche Hublängen lassen sich jedoch üblicherweise
nur mit zwei unterschiedlich geformten Nocken pro Richtung der Linearbewegung
realisieren, also mit zwei unterschiedlichen Nocken für die Bewegung
vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, und mit zwei unterschiedlichen
Nocken für
die Bewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt.
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Die
Erfindung sieht weiterhin vor, dass wenigstens zwei in radialer
Richtung erhabene Bereiche eines Nockenelements asymmetrisch zueinander sind,
also keine identische Form aufweisen. Dabei kann sich diese Asymmetrie – auch – auf den
Umfangswinkel beziehen, längs
dem sich ein Nocken erstreckt. Vorzugsweise wird sich ein Nocken
jedoch immer entlang eines Zentrumswinkels von etwa 360°/n erstrecken,
wobei n die Anzahl der Hubphasen bzw. Takte eines gesamten Hubzyklus
bedeutet, bei vier Takten oder Hubphasen also etwa 90°. Die unterschiedlichen
Hublängen
unterschiedlicher Hubphasen können
besser durch unterschiedliche Radialerstreckungen oder Längen der
verschiedenen Nocken realisiert werden.
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Die
Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass eine Arbeits-
und/oder Hilfswelle während
einer Hublängen-Periode
des linear hin und her gehenden Körpers genau eine Umdrehung
ausführt.
Bei einem 4-Takt-Zyklus dreht sich die Arbeitswelle also nicht wie
bei einem herkömmlichen
Verbrennungsmotor zweimal in einem gesamten Arbeitszyklus, sondern
nur einmal. Dadurch besteht die Möglichkeit, auf rein mechanischem
Weg den Ansaugtakt vom Arbeitstakt einerseits zu unterscheiden,
und andererseits den Kompressionstakt von dem Ausstoßtakt. Damit
lassen sich diese Takte unterschiedlich steuern, insbesondere mit
zwei unterschiedlichen oberen Totpunkten.
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Mit
besonderem Vorteil ist an dem linear hin und her gehenden Körper oder
an einem Fortsatz desselben wenigstens ein quer zu dessen linearer Bewegungsrichtung
vorspringendes Element angeordnet. Ein solches Element kann ggf.
von einem Nocken (-bereich) über-
oder untergriffen werden, um Kräfte
in der jeweiligen Druckrichtung zu übertragen.
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In
Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens sieht die Erfindung vor,
dass wenigstens ein quer zu der linearen Bewegungsrichtung vorspringendes
Element als Bolzen ausgebildet ist, dessen Längsachse quer zu der linearen
Bewegungsrichtung verläuft.
Ein solcher Bolzen kann seitlich an einer Kolbenstange angeordnet
sein, oder – wie
die Erfindung weiterhin vorsieht – sich zwischen den beiden
Hälften
einer in Längsrichtung
gespaltenen Kolbenstange erstrecken und solchenfalls an seinen beiden
Enden abgestützt
werden, so dass sehr große Kräfte übertragen
werden können.
An einem quer zur Linearbewegungsrichtung eines Kolbens verlaufenden
Bolzen kann die gesamte Mantelfläche
mit einem Nocken in Kontakt treten.
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Die
Erfindung empfiehlt, dass wenigstens ein quer zur linearen Bewegungsrichtung
verlaufender Bolzen einen runden, vorzugsweise kreisrunden Querschnitt
aufweist. Dabei wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass am Ende
einer Kontaktphase mit einem Nocken die betreffende Kontaktfläche etwa tangential
zu der Welle des betreffenden Nockens verläuft.
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Schließlich entspricht
es der Lehre der Erfindung, dass wenigstens ein quer zur linearen
Bewegungsrichtung verlaufender Bolzen eine oder mehrere Rollen aufweist.
Gerade Bolzen mit kreisrundem Querschnitt eignen sich zur Abstützung einer
daran gelagerten Rolle, die am Umfang eines Nockens abrollen kann,
so dass die Reibung auf ein Minimum reduziert wird. Eine solche
Rolle kann bei kleineren, zu übertragenden
Leistungen mit einem Gleitlager gelagert sein; für mittlere und größere Leistungen
empfiehlt die Erfindung die Verwendung von Wälzlagern, bspw. Kugel-, Tonnen-,
Zylinder- oder Nadellagern.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten, Vorteile und Wirkungen auf der Basis der
Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung sowie
anhand der beigefügten
Zeichnung. Hierbei zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Nockengetriebes
in einem Schnitt quer zu einer Abtriebswelle;
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2 eine
Schnittdarstellung des Nockengetriebes entlang der Schnittlinie
A-A in 1;
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3 die
verschiedenen Takte des Kolbens eines Viertakt-Verbrennungsmotors
mit dem erfindungsgemäßen Nockengetriebe;
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4 eine
andere Ausführungsform
der Erfindung in einer der 1 entsprechenden
Darstellung; sowie
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5 eine
abermals abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung, ebenfalls in einer der 1 entsprechenden
Darstellung.
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Das
Nockengetriebe 1 aus 1 ist Bestandteil
eines Zylinders 2 eines 4-Takt-Verbrennungsmotors 3, vorzugsweise
eines Dieselmotors. Dabei kann der Verbrennungsmotor 3 mehrere
Zylindereinheiten 2 aufweisen, bspw. zwei, vier oder mehr, welche ähnlich wie
bei herkömmlichen
Mehrzylindermotoren über
wenigstens eine gemeinsame Abtriebswelle 4 miteinander
gekoppelt oder koppelbar sind.
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Die
dargestellte Zylindereinheit 2 weist einen Brennraum 5 auf,
worin ein Kolben 6 linear beweglich gelagert ist. Unterhalb
des Brennraums 5, also etwa dort, wo bei einem üblichen
Verbrennungsmotor das Kurbelwellengehäuse sitzt, befindet sich bei
dem Motor 3 ein Gehäuse 7 mit
einer Kammer 8, worin sich das eigentliche Nockengetriebe 1 befindet.
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Die
Getriebekammer 8 ist von dem Brennraum 5, in welchem
sich der Kolben 6 bewegt, durch eine Art Lagerschild 9 getrennt.
Dieser ist mit einer Ausnehmung 10 versehen, in der ein
etwa stangenförmiges
Element 11 geführt
ist. Dieses Element 11 ist mit der Rückseite des Kolbens 6 verbunden
und erstreckt sich in Richtung der Linearbewegung des Kolbens 6.
Die Führungsausnehmung 10 samt
darin aufgenommener Stange 11 einerseits und der an den Wänden des
Brennraums 5 geführte
Kolben 6 andererseits sorgen für eine exakte Parallelführung der
in sich starren Baueinheit von Kolben 6 und Stange 11 bei
ihrer Linearbewegung innerhalb des Brennraums 5 und der
Getriebekammer 8. Damit durch den Lagerschild 9 kein
Luftstau unterhalb des Kolbens 6 bei dessen Annäherung an
den unteren Totpunkt entsteht, ist der Lagerschild ein- oder mehrfach
durchbrochen, bspw. in Form einer oder mehrerer Durchlaßbohrungen 12.
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Oben
an der Brennkammer 5, sozusagen am Kopf des Zylinders 2,
befinden sich Ein- und Auslaßventile 13, 14;
bei einem Ottomotor kann hier außerdem eine Zündkerze
angeordnet sein.
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Bei
dem Verbrennungsmotor 3 hat jeder Arbeitszyklus 4 Takte,
die in der 3 dargestellt sind:
Im
Takt I wird das Brennstoff-Luft-Gemisch vom Vergaser durch das Einlaßventil 13 in
die Brennkammer 5 gesogen, indem sich der Kolben 6 bei
geöffnetem Einlaßventil 13 von
einem ersten oberen Totpunkt OTP1 bis zum unteren Totpunkt UTP bewegt.
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Im
darauf folgenden Takt II wird der Kolben 6 bei geschlossenen
Ventilen 13, 14 vom unteren Totpunkt UTP bis zu
einem zweiten oberen Totpunkt OTP2 bewegt, wobei sich das angesaugte
Gemisch komprimiert.
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Im
nächsten
Takt III, dem eigentlichen Arbeitstakt, verbrennt das komprimierte
Gemisch, und die erhitzten Verbrennungsgase sorgen für einen
erheblichen Druckanstieg in der Brennkammer 5, welcher
den Kolben 6 von dem zweiten oberen Totpunkt OTP2 wieder
nach unten in den unteren Totpunkt UTP drückt.
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Im
letzten Takt IV werden sodann die verbrannten Gase wieder ausgestoßen, indem
der Kolben 6 bei geöffnetem
Auslaßventil 14 vom
unteren Totpunkt UTP wieder nach oben zum ersten oberen Totpunkt
OTP1 gedrückt
wird.
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Für einen
vollständigen
Ausschub der verbrannten Gase und eine optimale Ansaugung von Frischluft
in den Takten IV und I ist es wünschenswert,
dass der erste obere Totpunkt OTP1 möglichst nahe an der kopfseitigen
Begrenzung 15 des Zylinders 2 liegt, während der
zweite obere Totpunkt OTP2 nicht zu nahe an dieser kopfseitigen
Begrenzung 15 des Zylinders 2 liegen darf, damit
der Druck in dem verbleibenden Brennraum 5 oberhalb des
Kolbens 6 nicht zu stark ansteigt und den Motor 3 nicht beschädigt oder
gar zerstört.
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Während bei
handelsüblichen
Verbrennungsmotoren die beiden oberen Totpunkte OTP1 und OTP2 stets
zusammenfallen, so dass die Arbeitsweise eines solchen Zylinders
niemals optimal sein kann, läßt sich
mittels des erfindungsgemäßen Nockengetriebes 1 der
Kolben 6 derart steuern, dass er zwischen den Takten VI
und I einen anderen Totpunkt OTP1 anfährt als den Totpunkt OTP2 zwischen den
Takten II und III. Dies wird ermöglicht
durch die im folgenden beschriebene Konstruktion:
Die Kolbenstange 11 spaltet
sich an ihrem unteren Ende auf in zwei zueinander parallele, aber
voneinander beabstandete Schenkel 16, ähnlich der Zinken einer Gabel.
Jeder dieser Schenkel 16 hat einen etwa konstanten Querschnitt,
bspw. rechteckig. In jedem Schenkel 16 gibt es je zwei
Bohrungen 17, deren Längsrichtung
quer zu der Achse 18 der Linearbewegung des Kolbens 6 verläuft, von
denen jeweils zwei miteinander fluchten. Durch je zwei miteinander fluchtende
Bohrungen 17 ist jeweils ein Bolzen 19, 20,
jeweils mit einem kreisrunden Querschnitt, gesteckt und in dieser
Position arretiert, bspw. durch Verschweißung, Verkleben, Verlöten oder
durch Splinte, etc. Die Bolzen 19, 20 können auch
drehbar in den Schenkeln 16 gelagert sein, nach Art von
Rollen oder Walzen, so dass sie auf dem Umfang der mit ihnen in
Kontakt tretenden Nockenelemente 21, 22 nahezu
reibungsfrei abrollen können.
Vorzugsweise befinden sich die Bolzen 19, 20 übereinander,
entlang der Achse 18 der Kolben-Linearbewegung gegeneinander
versetzt.
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Mit
diesen Bolzen 19, 20 wirkt je ein Nockenelement 21, 22 zusammen,
von denen jedes auf einer von zwei zueinander parallelen Wellen 4, 23 sitzt. Bei
diesen Wellen handelt es sich einerseits um die eigentliche Abtriebswelle 4,
andererseits um eine Hilfswelle 23. Die Hilfswelle 23 ist
mit der Abtriebswelle 4 über miteinander kämmende Zahnräder 24, 25 od.
dgl. gekoppelt, im vorliegenden Fall derart, dass sich die beiden
Wellen 4, 23 stets mit der selben Geschwindigkeit
drehen, allerdings in entgegengesetzten Drehrichtungen. Da die Abtriebswelle 4 und die
Hilfswelle 23 allen Zylindern 2 eines Motors 3 gemeinsam
sein können,
sind die Koppelzahnräder 24, 25 insgesamt
nur einmal vorzusehen. Außerdem können Abtriebs-
und Hilfswelle 4, 23 miteinander vertauscht sein,
d.h., jede von beiden kann zum Abgriff der Motorleistung, d.h. als
Abtriebswelle genutzt werden.
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Die
Abtriebswelle 4 befindet sich etwa vertikal unterhalb des
Kolbens 6 und der Kolbenstange 11, also etwa auf
der Bewegungsachse 18. Die Hilfswelle 23 befindet
sich weiter oben in der Getriebekammer 8, jedoch seitlich
neben der Kolbenstange 11 bzw. der Bewegungsachse 18.
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Beide
Nockenelemente 21, 22 haben an ihrem Umfang jeweils
zwei erhabene Bereiche als Nocken 26, 27, etwa
um 180° bezüglich der
betreffenden Welle 4, 23 gegeneinander versetzt,
und zwei dazwischen liegende „Täler".
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Das
untere Nockenelement 21 kann ständig in Kontakt mit dem unteren
Bolzen 19 bleiben, wobei sich während einer Umdrehung 28 der
Abtriebswelle 4 die Kolbenstange 11 und damit
der Kolben 6 zweimal nach oben bewegen muß, jedesmal,
wenn ein Nocken 26 etwa in Richtung der Linearbewegungsachse 18 vertikal
nach oben zeigt. Da die beiden Nocken 26 an dem unteren
Nockenelement 21 unterschiedlich lang sind, bewegt sich
der Kolben 6 bei einem Arbeitszyklus, also einer Umdrehung
der Arbeitswelle 4, bis zu zwei unterschiedlichen oberen Totpunkten.
Der für
die Auslenkung zu dem ersten oberen Totpunkt OTP1 verantwortliche
Nocken 26 ist länger
als der andere, für
die Auslenkung bis zu dem zweiten oberen Totpunkt OTP2 verantwortliche
Nocken 26. Die tiefsten Stellen der dazwischen liegenden
Täler am
Umfang des unteren Nockenelements 21 korrespondieren mit
einer Lage des Kolbens 6 an dessen unterem Totpunkt UTP.
Es gilt: INocken_a – INocken_b =
OTP1 – OTP2,
wobei INocken_a die radiale Länge des
längeren
Nockens 26, INocken_b die radiale Länge des
kürzeren
Nockens 26 und OTP1 – OTP2 der
Abstand zwischen den beiden oberen Totpunkten ist, gemessen in Richtung
der Linearbewegungsachse 18.
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Eine
aktive Bewegung des Kolbens 6 von einem oberen Totpunkt
OTP1, OTP2 zu dem unteren Totpunkt UTP bewirkt das andere Nockenelement 22.
Jeder seiner beiden Nocken 27 ist in der Lage, mit dem
oberen Querbolzen 20 an der Kolbenstange 11 in
Kontakt zu treten. Der Verbrennungsmotor 3 arbeitet stets
mit der selben Drehrichtung 28 der Abtriebswelle 4 und
dazu entgegengesetzter Drehrichtung 29 der Hilfswelle 23.
Diese Drehrichtung 29 ist derart orientiert, dass sich
jeder der beiden Nocken 27 nach unten, also von dem Kolben 6 weg
bewegt, wenn er auf seiner Umlaufbahn der Kolbenstange 11, 16 zugewandt
ist. Er tritt dabei mit dem Bolzen 20 in Kontakt, und zwar
mit dessen Oberseite, um diesen und damit auch die Kolbenstange 11, 16 und
den Kolben 6 herabzudrücken.
Die Nocken 27 sind derart angeordnet und dimensioniert,
dass ihr Kontakt mit dem Bolzen 20 jeweils an einem der
beiden oberen Totpunkte OTP1, OTP2 beginnt und etwa am unteren Totpunkt
UTP endet. Da die beiden oberen Totpunkte OTP1, OTP2 nicht identisch
sind, müssen
auch die beiden Nocken 27 des oberen Nockenelements 21 unterschiedlich
gestaltet sein.
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Die
Profile der Nocken 26, 27 sind derart geformt,
dass die Bewegung des Kolbens 6 stufenlos und stoßfrei von
einer Richtung in die entgegengesetzte wechselt. Dies kann u.a.
dadurch erreicht werden, dass die Nocken 26, 27 jeweils
an ihrem (in Drehrichtung gesehen vorderen) Fuß und auch an ihrem Scheitel,
also an den Bereichen, wo der Kontakt mit einem Bolzen 19, 20 beginnt
und endet, etwa tangential zu der betreffenden Welle 4, 23 verlaufende Bereiche
aufweisen, so dass eine infinitesimale Drehung 28, 29 der
Wellen 4, 23 keine Linearbewegung des Kolbens 6 erfordert
bzw. verursacht, der Kolben sich also in einem Totpunkt OTP1, OTP2,
UTP befindet.
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Der
Motor 3' gemäß 4 unterscheidet sich
von dem zuvor beschriebenen nur hinsichtlich des Nockengetriebes 1', und dort wiederum
nur hinsichtlich der Lage der unteren Welle 4 (vorzugsweise der
Abtriebswelle) und der Geometrie des darauf sitzenden Nockenelements 21'. Im Gegensatz
zu der vorhergehenden Ausführungsform
liegt die untere Welle 4 bei diesem Motor 3' nicht etwa
mittig unter dem Kolben 6, sozusagen auf der Verlängerung
der Längsmittelachse 18 der
Einheit aus Kolben 6 und Kolbenstange 11, sondern
ist wie die obere Welle 23 seitlich gegenüber dieser
Achse 18 verschoben bis etwa unter die obere Welle 23.
Aufgrund der entgegengesetzten Drehrichtung der unteren Welle 4 bewegt
sich ein Nocken 26' des
betreffenden Nockenelements 21' nach oben in Richtung zu dem Kolben 6, wenn
es in Kontakt mit dem unteren Bolzen 19 tritt, und schiebt
dabei die Kolben/Kolbenstangen-Baueinheit 6, 11 nach
oben. Man erkennt bei dieser Anordnung ganz deutlich, dass jedes
Nockenelement 21', 22 über je zwei
unterschiedlich lange Nocken 26', 27 verfügt, wobei
der jeweils längere
einem Takt zugeordnet ist, der an dem ersten oberen Totpunkt OTP1
endet oder beginnt, während
der jeweils kürzere
Nocken 26', 27 einem
Takt zugeordnet ist, der an dem zweiten oberen Totpunkt OTP1 endet
oder beginnt.
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Der
Motor 3'' gemäß 5 unterscheidet sich
von dem zuvor beschriebenen nur hinsichtlich des Nockengetriebes 1'', wo diesmal wieder die untere
Welle 4'' gegenüber der
Kolbenlängsachse 18 seitlich
verschoben ist, diesmal jedoch nicht zur selben Seite wie die obere
(Hilfs-) Achse 23, sondern zur anderen Seite der Kolbenstange 11.
Nun kann das darauf sitzende Nockenelement 21'' den unteren Bolzen 19 untergreifen
und nach oben drücken,
wenn sich die Welle 4'' in der selben
Drehrichtung 28'' dreht wie die
Drehrichtung 29 Hilfswelle 23. Um einen Gleichlauf
der beiden Wellen 4'', 23,
also in der selben Drehrichtung 28'', 29,
zu bewerkstelligen, ist zwischen den beiden Zahnrädern 24, 25 ein
drittes Zahnrad 30 eingefügt. Während die beiden Zahnräder 24, 25 wie
bei den vorherigen Motor-Ausführungsformen 3, 3' jeweils gleichen
Durchmesser bzw. gleiche Zähnezahl
aufweisen sollten, können
Durchmesser und/oder Zähnezahl
des dritten Zahnrads 30 demgegenüber abweichen.